Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя с наддувом - Совершенствование энергетической установки дорожного катка

Топливо. В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л и для работы в зимних условиях - марки З). Цетановое число топлива - не менее 45.

Средний элементный состав дизельного топлива

С=0,870; Н = 0,126; О=0,004.

Низшая теплота сгорания топлива, НU, кДж/кг, определяется по формуле,

(1)

Где: С, Н,О - средний элементный состав дизельного топлива, приведенный выше

.

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

(2)

Где: 1/0,28 коэффициент избытка воздуха.

(3)

(4)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания

(5)

(6)

При б=1,8

(7)

(8)

Общее количество продуктов сгорания, определяется по формуле

(9)

При

Б=1,8

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия

Давление окружающей среды для дизелей:

Температура окружающей среды для дизелей, К, определяется по формуле:

, (36)

Где: nK-показатель политропы сжатия (для центробежного нагнетателя с охлаждаемым корпусом принят nK=1,65);

- давление окружающей среды, МПа

,

Температура и давление остаточных газов. Достаточно высокое значение дизеля без наддува снижает температуру и давление остаточных газов, а повышенная частота вращения коленчатого вала несколько увеличивает значения При наддуве температурный режим двигателя повышается и увеличивает значения. Поэтому можно принять для дизелей:

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. Однако естественный подогрев заряда в дизеле без наддува может достигать ? 15 - 20 °С, а при наддуве за счет уменьшения температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного воздуха величина подогрева сокращается. Поэтому принимаем для дизелей: с наддувом T-10 °С.

Плотность заряда на впуске, кг/м 3, определяется по формуле:

(37)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Потери давления на впуске в двигателе:

Где: и приняты в соответствии со скоростным режимом двигателей и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля с наддувом и без наддува.

Давление в конце впуска

(38)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Коэффициент остаточных газов

(39)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Температура в конце впуска

(40)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Коэффициент наполнения

(41)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Процесс сжатия. Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатель политропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты, который определяется по номограмме:

Для дизеля с наддувом при

Давление и температура в конце сжатия

(42)

Параметры, входящие в формулу приведены выше по тексту в расчете без наддува

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

А) воздуха

Где:

Б) остаточных газов

При б= 1,7 и

В) рабочей смеси

Процесс сгорания. Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси в дизелях, определяется по формуле:

(43)

Где: - общее количество продуктов сгорания, кмоль/кг;

- количество свежего заряда, кмоль/кг

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси в дизелях:

Теплота сгорания рабочей смеси в дизелях:

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания в дизелях:

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять для двигателей с наддувом.

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11 - 12 МПа. В связи с этим целесообразно принять для дизеля с наддувом

Температура в конце видимого процесса сгорания

Откуда

Максимальное давление сгорания для дизелей:

(44)

Где: - степень повышения давления;

- давление в конце сжатия, МПа

Степень предварительного расширения для дизелей:

(45)

Параметры, входящие в формулу приведены, выше по тексту в расчете без наддува.

Процесс расширения. Степень последующего расширения для дизелей:

(46)

Параметры, входящие в формулу приведены, выше по тексту в расчете без наддува.

С наддувом

Средние показатели адиабаты и политропы расширения для дизелей выбираются следующим образом. На номинальном режиме можно принять показатель политропы расширения с учетом достаточно больших размеров цилиндра, несколько меньше показателя адиабаты расширения, который определяется по номограмме. Для дизелей:

При а принимаем равным 1,26

Давление и температура в конце расширения для дизелей:

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов для дизелей:

Индикаторные параметры рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление для дизелей:

Где коэффициент полноты диаграммы принят

Индикаторный КПД для дизелей

Индикаторный удельный расход топлива для дизелей:

Эффективные показатели двигателя. Среднее давление механических потерь

Где: средняя скорость поршня предварительно принята

Среднее эффективное давление и механический КПД для дизелей:

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива для дизелей:

Основные параметры цилиндра и двигателя. Литраж двигателя

(47)

Параметры, входящие в формулу, определены в расчете без наддува

Рабочий объем цилиндра

(48)

Параметры, входящие в формулу, определены в расчете без наддува

Диаметр и ход поршня дизеля, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диаметру цилиндра. Однако уменьшение для дизеля, так же как и для карбюраторного двигателя, снижает скорость поршня и повышает. В связи с этим целесообразно принять :

Окончательно принимаем D=S= 114 мм.

По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

Что достаточно близко (ошибка <2%) к ранее принятому значению

Построение индикаторной диаграммы дизеля с наддувом

Масштаб хода поршня - МS = 2 мм в мм; масштаб давлений - MP = 0,04 МПа в мм.

Приведенные величины рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания соответственно:

Максимальная высота диаграммы (точки z 1 и z) и положение точки z по оси абсцисс

Ординаты характерных точек:

Построение политроп сжатия и расширения проводится графическим методом (см. рисунок 1):

    А) для луча ОС принимаем угол б = 15О; Б) В) используя лучи OD и ОС, строим политропу сжатия, начиная с точки с; Г) Д) используя лучи ОЕ и ОС, строим политропу расширения, начиная с точки z.

Теоретическое среднее индикаторное давление

Что очень близко к величине, полученной в тепловом расчете ( - площадь диаграммы acz'zbа).

Скругление индикаторной диаграммы. Учитывая достаточную быстроходность рассчитываемого дизеля и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие фазы газораспределения:

Впуск - начало (точка r1) за 25° до в. м.т. и окончание (точка а") - 60° после н. м.т.;

Впуск - начало (точка b') за 60° до н. м.т. и окончание (точка а') - 25° после в. м.т.

С учетом быстроходности дизеля принимается угол опережения впрыска 20° (точка с 1) и продолжительность периода задержки воспламенения (точка f).

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения впрыска определяется положение точек b', r ', a', a", c' и f по формуле для перемещения поршня:

Где: л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Выбор величины л производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы ориентировочно устанавливаем л =0,270.

Результаты расчета ординат точек b', r ', а', а", с' и f приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Результаты расчета

Обозначение точек

Положение точек

Расстояние AX точек от в. м.т., мм

B'

R '

A'

A"

С'

F
    60О до н. м.т. 25О до в. м.т. 25О после в. м.т. 60О после н. м.т. 20О до в. м.т. (20-8О) до в. м.т.
    120 25 25 120 20 12
    1,601 0,122 0,122 1,601 0,076 0,038
    66 5 5 66 3,1 1,5

Положение точек с" определяют из выражения

Точка лежит на линии ориентировочно вблизи точки z.

Нарастание давления от точки с" до составляет 11,307 - 8,669 = 2,638 МПа или 2,638/10=0,264 МПа/град п. к.в., где 10 - положение точки по оси абсцисс, град.

Соединяя плавными кривыми точки r с а', с' с f и с" и далее с и кривой расширения b' с b" (точка b" располагается между точками b и а) и далее с r ' и r, получаем скругленную индикаторную диаграмму r а' a c' f c" b' b'' r.

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом для дизелей:

(49)

Параметры, входящие в формулу, определены в расчете без наддува

Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с, для дизелей:

(50)

Параметры, входящие в формулу, определены в расчете без наддува

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, для дизелей:

Где: С - коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей С = 0,45 ч 0,53); i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; m - показатель степени (для четырехтактных двигателей m = 0,6 ч 0,7); n - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1.

Теплота, унесенная с отработавшими газами (в дизеле с наддувом часть теплоты отработавших газов используется в газовой турбине),

Неучтенные потери теплоты

Составляющие теплового баланса представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Составляющие теплового баланса

Составляющие теплового баланса

Дизель с наддувом

Q, Дж/с

Q, %

Теплота, эквивалентная эффективной работе

85200

20,1

Теплота, передаваемая охлаждающей среде

52856

19

Теплота, унесенная с отработавшими газами

285866

27,1

Неучтенные потери теплоты

220030

33,8

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом

643952

100

Расчет внешней скоростной характеристики дизеля

На основании теплового расчета, проведенного для режима номинальной мощности, получены следующие параметры, необходимые для расчета и построения внешней скоростной характеристики дизеля:

Эффективная мощность Ne = 92 кВт; частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности nN = 2200 мин-1, тактность двигателя ф = 4; литраж VЛ = 4,75 л; ход поршня S = 114 мм; теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива = 14,452 кг возд/кг топл.; плотность заряда на впуске = 1,641 кг/м 3; коэффициент избытка воздуха aN = 1,6; удельный эффективный расход топлива.

Расчетные точки скоростной характеристики. Принимаем: nMin = 500 мин-1; nX1 = 1200 мин-1; далее через каждые 500 мин-1 и nN = 2200 мин-1.

Все расчетные данные заносятся в таблицу 9.

Таблица 9 - Расчетные данные

Частота вращения коленчатого вала, мин-1

Параметры внешней скоростной характеристики
    600 1200 1700 2200
    97,5 214,7 336,1 446
    1330 1465 1529 1522
    0,395 0,435 0,454 0,452
    3,5 7 10,5 14
    0,130 0,172 0,213 0,254
    0,525 0,607 0,667 0,706
    1768 2044 2246 2378
    554 481 430 404
    54 103,3 144,5 180,2
    1,40 1,44 1,49 1,52
    1,035 1,018 0,983 0,938

Мощность в расчетных точках, кВт:

Эффективный крутящий момент, Н-м

Среднее эффективное давление, МПа

Средняя скорость поршня, м/с

Среднее давление механических потерь, МПа

Среднее индикаторное давление, МПа

Индикаторный крутящий момент, Н-м

Удельный эффективный расход топлива для дизелей, г/(кВт-ч)

Часовой расход топлива, кг/ч

Коэффициент избытка воздуха. Принимаем для дизелей:

Соединяя точки и прямой линией, получим значения для всех расчетных точек дизелей с наддувом.

Коэффициент наполнения

По расчетным данным, приведенным в таблице 3, строим внешнюю скоростную характеристику дизелей с наддувом.

Коэффициент приспособляемости для дизелей:

Где: определены по скоростным характеристикам.

В данном разделе были проведены основные расчеты:

    1) Тепловой расчет - в котором с достаточной степенью точности определили основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также проверили степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя. 2) Тепловой баланс - в котором установили степень достигнутого совершенства теплоиспользования и наметили пути их уменьшения имевшихся потерь. 3) Расчет внешней скоростной характеристики - в котором показали изменение мощности, крутящего момента, расхода топлива и других параметров от частоты вращения коленчатого вала.

Похожие статьи




Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя с наддувом - Совершенствование энергетической установки дорожного катка

Предыдущая | Следующая